毕业设计：长尾式差分放大电路的设计

一、设计题目：
长尾式差分放大电路
二、设计指标：
双端输出时，差模电压放大倍数：|A d|=20~30,共模电压放大倍数：|A c|~0;
单端输出时，A d1=,A d2=,|A c1|=|A c2|=0~1;
输出电阻：R o=40~50KΩ。

三、设计目的：
1、加深对差分放大电路工作原理及特性的理
解。

2、学会调节差分放大电路的静态工作点。

3、了解电路产生零漂的原因及抑制方法。

4、学习差动放大电路主要性能指标的测试方
法。

5、掌握差分放大电路在不同输入、输出模式时
差模电压放大倍数、共模电压放大倍数的测试方法。

四、设计原理：
为了充分利用集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路形式。

1、将两个电路结构、参数均相等的单管放大电路组合在一起，就成为差分放大电路的基本形式，如图（a），输入电压u I1和u I2分别在两管的基极，输出电压等于两管的集电
极电压之差。

a.差分放大电路的基本形式
在理想情况下，电路中左右两部分三极管的特性和电阻有参数均完全相等，则当输入电压等于零时，U CQ1=U CQ2,故输出电压U O=0。

如果温度升高使I CQ1增大，U CQ1减小，则I CQ2也将增大，U CQ2也将减小，而且两管变化的幅度相等，结果VT1的VT2输出端的零点漂移将互相抵消。

2、为了进一步减小每个管子输出端的温漂，设计了长尾式差分放大电路。

在图（a）的基础上，在两个放大管的发射极接入一个发射极电阻R e，如图(b)
长尾电阻R e的作用是引入一个共模负反馈，对共模信号有负反馈作用，而对差模信号没有负反馈作用。

假设在电路输入端加上正的共模信号，则两个管子的集电极电流i C1、i C2同时增加，使流过发射极电阻的电流i E增加，于是发射极电位u E升高，反馈到两管的基极回路中，使u BE1、u BE2降低，
从而限制了i C1、i C2的增加。

b、长尾式差分放大电路
但对于差模输入信号，由于两管的输入信号幅度相等，而极性相反，所以i C1增加多少，i C2就减少同样的数量，因而流过R e的电流总量保持不变，则Δu E=0，所以对于差模信号没有反馈作用。

R e引入的共模负反馈使共模放大倍数A c减小，降低了每个管子的零点漂移。

但对于差模放大倍数A d没有影响，因此提高了电路的的共模抑制比。

R e愈大，共模负反馈愈强，则抑制零漂的效果愈好。

但随着R e的增大，R e上的直流压降将愈来愈大，为此，在电路中引入了一个负电源V EE来补偿R e上的直流压降，以免输出电压变化范围太小。

五、设计步骤：
1、静态分析
当输入电压等于零时，由于电路结构对称，即R1=R2=R b，R c1=R c2=R c；T1管与T2管的特性相同，β1=β2=β，r be1=r be2=r be；R e为公共的发射极电阻，因此可认为I BQ1=I BQ2=I BQ，I CQ1=I CQ2=I CQ，U BEQ1=U BEQ2=U BEQ，U CQ1=U CQ2=U CQ，由三极管基极回路可得
U BEQ+I EQ(2Re+0.5R w)=V EE
则静态基极电流为
I=
静态集电极电流和电位为
I CQ BQ
U CQ=V CC-I CQ R C（对地）
静态基极电位为
U BQ=-I BQ R1（对地）
2、动态分析
由于接入长尾电阻R e后，当输入差模信号时流过R e的电流不变，U e相当于一个固定的电位，在交流通路中可将R e视为短路，因此长尾式差分放大电路的交流通路如图（c）,RL 为接在两个三极管之间的负载电阻。

当输入差模信号时，一管集电极电位降低，另一管集电极电位升高，可认为RL中点处的电位保持不变，也就是说，R L/2处相当于交流接地。

根据交流通路得
Δi B1=Δu I1/(R1+r be+(1+β)R w/2)
Δi C1=βΔi B1
C、长尾式差分放大电路交流通路
则Δu C1=-Δi C1(Rc//)=-Δu I1
同理Δu C2=-Δi C2(Rc//)=-Δu I2故输出电压为
Δu O=Δu C1-Δu C2=-(Δu I1-Δu I2)
则差模电压放大倍数为
A d==-
差模输入电阻为
R id=2(R1+r be+(1+β)R w/2)
输出电阻为
R o=2R c
3、参数选择
根据设计指标，取R o=40KΩ，则R c=R o/2=20 KΩ；
单端输出时，取A c1=A c2=-0.5,A c1=,得R e=20 KΩ;
令负载电阻R L=15KΩ，调零电位器R w=100Ω,三极管β=120；
I EQ BQ=
== mA；
R be=r bb’+=300+(1+120)26/
=11.54+R1 KΩ;
==5.455 KΩ
=121╳0.05=6.05 KΩA d=-
=-
由|A d|=20~30得：
20<<30，
4.23<R1<1
5.14，
因此，可取R1=11 KΩ
六、安装与调试：
按图b连结电路，进行电路测量
1、测量静态工作点
U c1=6.408V U b1=-25.63mV U e1=-725.63mV
U c2=6.408V U b2=-25.63mV U e2=-725.63mV
2、测量差模电压放大倍数
U i Uc1
U c2U o
3、测量共模电压放大倍数
U i U c1
U c2 U c1七、设计总结：
通过对长尾式差分放大电路的设计，使我加深了对差分放大电路工作原理及特性的理解，同时学会了调节差分放大电路的静态工作点及其主要性能指标的测试方法。

在差分放大电路中，增大发射极电阻R e的阻值，可提高共模抑制比。

但采用大电阻R e要采用高的稳压电源。

希望既要抑制零飘的效果比较好，同时又不要求过高的VEE值，可以采用一个三极管代替原来的长尾电阻Re。

三极管工作在放大区时，其集电极电流几乎仅决定于基极电流而与管压降无关，当基极电流是一个不变的直流电流时，集电极电流就是一个恒定电流。

恒流源电路在不高的电源电压下既为差分放大电路设置了合适的静态工作电流，又大大增强了共模负反馈作用，使电路具有更强的抑制共模信号的能力。